DE29909900U1 - Circuit arrangement for power supply - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung, vorzugsweise für Schütze großer Leistungen.The invention relates to a circuit arrangement for power supply, preferably for contactors of high power.
Für den Betrieb der Steuerelektronik von elektrischen Schaltgeräten, wie Schütz oder Leistungsschalter, wird eine konstante Steuerspannung benötigt. Analoge Schaltungsteile mit Leistungshalbleitern arbeiten in der Regel mit einer stabilisierten Spannung von zirka 14V, während digitale Schaltkreise, mit Mikroprozessoren, Controllern und anderen elektronischen Bauteilen, Bertriebsspannungen von 5V benötigen. Um die Verlustleistung derartiger Schaltungen möglichst gering zu halten, kann die Steuerspannung daher nicht unmittelbar über einen Vorwiderstand aus der Eingangsspannung generiert werden. Zur Lösung dieses Problems finden Pulsweitenmodulatoren Anwendung. Diese zerhacken die Eingangsspannung in Impulsfolgen bestimmter Breite, so daß die auftretende Verlustleistung minimiert wird. 20A constant control voltage is required to operate the control electronics of electrical switching devices such as contactors or circuit breakers. Analogue circuit components with power semiconductors generally work with a stabilised voltage of around 14V, while digital circuits with microprocessors, controllers and other electronic components require operating voltages of 5V. In order to keep the power loss of such circuits as low as possible, the control voltage cannot be generated directly from the input voltage via a series resistor. Pulse width modulators are used to solve this problem. These chop the input voltage into pulse sequences of a certain width so that the power loss that occurs is minimised. 20
Von Nachteil ist, daß derartige Schaltungen für größere Eingangsspannungen (> 500V AC) auf dem Markt nicht zur Verfügung stehen.The disadvantage is that such circuits for higher input voltages (> 500V AC) are not available on the market.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die geeignet ist für einen großen Eingangsspannungsbereich, insbesondere 40V-780V AC beziehungsweise bis 1000V DC, und dabei eine günstige Verlustleistungscharakteristik aufweist.The invention is therefore based on the object of creating a circuit arrangement which is suitable for a large input voltage range, in particular 40V-780V AC or up to 1000V DC, and at the same time has a favorable power loss characteristic.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.The object is achieved according to the invention by the features of the independent claim, while advantageous further developments of the invention can be found in the dependent claims.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination eines Pulsweitenmodulators mit einem Spannungsregler können die Anforderungen an einen vergrößerten Eingangsspannungsbereich erfüllt werden. Darüber hinaus ist durch diese Schaltungsanordnung eine äußerst günstige Verteilung der Verlustleistung realisierbar. Von Vorteil ist weiterhin, daß Anforderungen an die Störsicherheit (EMV-Anforderungen wie Blitzschutz) einfach erfüllbar sind, da die Spannungsfestigkeit durch den vorgeschalteten Spannungsregler einstellbar ist.The inventive combination of a pulse width modulator with a voltage regulator makes it possible to meet the requirements for an increased input voltage range. In addition, this circuit arrangement enables extremely favorable distribution of the power loss. Another advantage is that requirements for interference immunity (EMC requirements such as lightning protection) are easy to meet, since the dielectric strength can be adjusted using the upstream voltage regulator.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der vorgeschaltete Spannungsregler einen N-Kanal MOS-FET. Dies hat den Vorteil einer leistungsarmen Steuerung.In a preferred embodiment of the invention, the upstream voltage regulator comprises an N-channel MOS-FET. This has the advantage of low-power control.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer einzigen Figur erläuterten Ausführungsbeispiel. Diese Figur zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.Further details and advantages of the invention emerge from the following embodiment explained with reference to a single figure. This figure shows the circuit arrangement according to the invention in a preferred embodiment.
Gemäß der Figur umfaßt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Stromversorgung (insbesondere zur Stromversorgung der Steuerelektronik von Schützen großer Leistung) eingangsseitig einen Spannungsregler 2 dem ein Pulsweitenmodulator 4 und ein Übertrager 6 nachgeschaltet sind, wobei der Spannungsregler 2 an seinem Ausgang eine Zwischenspannung U1 liefert, die als Eingangsspannung für den, aus Pulsweitenmodulator 4 und Übertrager bestehenden Schaltungsteil, dient.According to the figure, the circuit arrangement according to the invention for supplying power (in particular for supplying power to the control electronics of high-power contactors) comprises on the input side a voltage regulator 2 followed by a pulse width modulator 4 and a transformer 6, the voltage regulator 2 supplying an intermediate voltage U1 at its output, which serves as the input voltage for the circuit part consisting of pulse width modulator 4 and transformer.
Der Spannungsregler 2 umfaßt einen elektronischen Schalter 7, insbesondere einen N-Kanal MOS-FET, dem eine von der Eingangsspannung abgeleitete konstante Spannung für seinen Steuereingang zugeführt wird. Desweiteren umfaßt der Spannungsregler 2 einen Widerstand 8 und eine Zenerdiode 10.The voltage regulator 2 comprises an electronic switch 7, in particular an N-channel MOS-FET, to which a constant voltage derived from the input voltage is supplied for its control input. The voltage regulator 2 also comprises a resistor 8 and a Zener diode 10.
Der MOS-FET 7 ist zur Spannungsversorgung (Ansteuerung) des nachgeschalteten Pulsweitenmodulator 4 derart mit diesem verbunden, daß dem Pulsweitenmodulator 4 in einem unteren Spannungsbereich (insbesondere bis zur maximalen Betriebsspannung eines verwendetenThe MOS-FET 7 is connected to the downstream pulse width modulator 4 for the voltage supply (control) of the latter in such a way that the pulse width modulator 4 is supplied with voltage in a lower voltage range (in particular up to the maximum operating voltage of a used
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Pulsweitenmodulator, z.B. 400V AC) im wesentlichen die gesamte Eingangsspannung Uin zugeführt wird und in einem oberen Spannungsbereich (insbesondere bis zur notwendigen Eingangsspannung eines Schütz großer Leistung, z.B. 780V AC oder 900V AC) im wesentlichen eine, auf die konstante Eingangsspannung des Steuereingangs (entspricht vorzugsweise der maximalen Betriebsspannung eines verwendeten Pulsweitenmodulators, z.B. 400V AC) begrenzte Spannung zugeführt wird, und der Pulsweitenmodulator 4 den Übertrager 6 zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsspannung Uout ansteuert.Pulse width modulator, e.g. 400V AC) essentially the entire input voltage Uin is supplied and in an upper voltage range (in particular up to the necessary input voltage of a high-power contactor, e.g. 780V AC or 900V AC) essentially a voltage limited to the constant input voltage of the control input (preferably corresponds to the maximum operating voltage of a pulse width modulator used, e.g. 400V AC) is supplied, and the pulse width modulator 4 controls the transformer 6 to generate a constant output voltage Uout.
Der Spannungsregler 2 ist zum Beispiel durch eine herkömmliche Spannungsquelle gebildet, deren Zwischenspannung U1 durch die Höhe der Zenerspannung Uz bestimmt wird. Dabei ist zwischen den Potentialen der Eingangsspannung Uin eine Serienschaltung bestehend aus Widerstand 8 und Zenerdiode 10 angeordnet, wobei der Widerstand 8 mit dem Versorgungspotential und die Zenerdiode 10 über ihre Anode mit Bezugspotential verbunden ist. Der MOS-FET 7 ist mit seinem Gateanschluß mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 8 und Zenerdiode 10, und mit seinem Drainanschluß mit Versorgungspotential verbunden. Der Ausgang des Spannungsreglers 2 wird durch den Sourceanschluß des MOS-FET 7 gebildet, wobei mit Vorteil ein Kondensator 12 parallel zum Ausgang geschaltet ist. Der Ausgang des Spannungsreglers 2 liefert die Eingangsspannung (Zwischenspannung U1) für den nachgeschalteten Pulsweitenmodulator 4 und den Übertrager 6.The voltage regulator 2 is formed, for example, by a conventional voltage source, the intermediate voltage U1 of which is determined by the level of the Zener voltage Uz. A series circuit consisting of a resistor 8 and a Zener diode 10 is arranged between the potentials of the input voltage Uin, with the resistor 8 being connected to the supply potential and the Zener diode 10 being connected to reference potential via its anode. The MOS-FET 7 is connected with its gate connection to the connection point of resistor 8 and Zener diode 10, and with its drain connection to the supply potential. The output of the voltage regulator 2 is formed by the source connection of the MOS-FET 7, with a capacitor 12 advantageously connected in parallel to the output. The output of the voltage regulator 2 supplies the input voltage (intermediate voltage U1) for the downstream pulse width modulator 4 and the transformer 6.
Der über die Zwischenspannung U1 des Spannungsreglers 2 angesteuerte Pulsweitenmodulator 4 zerhackt die Zwischenspannung U1 und gibt diese aus einer Impulsfolge bestehende Spannung auf den Übertrager 6, welcher seinerseits auf der Sekundärseite ein gleichgerichtetes und geglättetes Ausgangssignal Uout liefert. Dieses Ausgangssignal Uout dient der Versorgung der Steuerelektronik eines Schalgerätes.The pulse width modulator 4, which is controlled by the intermediate voltage U1 of the voltage regulator 2, chops up the intermediate voltage U1 and passes this voltage, consisting of a pulse train, to the transformer 6, which in turn delivers a rectified and smoothed output signal Uout on the secondary side. This output signal Uout is used to supply the control electronics of a switching device.
Funktionsweise der Schaltungsanordnung:How the circuit works:
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.J 4-'.J 4-'
In Abhängigkeit der Eingangsspannung Uin am Eingang der Schaltungsordnung regelt der vorgeschaltete Spannungsregler 2 die Eingangsspannung Uin und stellt an seinem Ausgang die begrenzte Zwischenspannung U1 zu Verfügung, die vom Pulsweitenmodulator 4 weiterverarbeitet und dem nachgeschalteten Übertrager 6 zu Bildung der konstanten Ausgangsspannung Uout zugeführt wird.Depending on the input voltage Uin at the input of the circuit, the upstream voltage regulator 2 regulates the input voltage Uin and provides the limited intermediate voltage U1 at its output, which is further processed by the pulse width modulator 4 and fed to the downstream transformer 6 to form the constant output voltage Uout.
Überschreitet die Eingangsspannung Uin die an der Zenerdiode 10 abfallende Zenerspannung Uz , fällt die Spannungsdifferenz Uds über die Drain-Source-Strecke des MOS-FET 7 ab. Multipliziert man die Spannungsdifferenz Uds mit dem Ausgangsstrom 11 des Spannungsreglers ergibt sich die Verlustleistung des MOS-FET 7. Der formelmäßige Zusammenhang ergibt sich wie folgt: Uin = Uz - Ugs + Uds
undIf the input voltage Uin exceeds the Zener voltage Uz across the Zener diode 10, the voltage difference Uds drops across the drain-source path of the MOS-FET 7. Multiplying the voltage difference Uds by the output current 11 of the voltage regulator results in the power loss of the MOS-FET 7. The formulaic relationship is as follows: Uin = Uz - Ugs + Uds
and
U1 = Uz-Ugs = Uin-Uds.U1 = Uz-Ugs = Uin-Uds.
Der Spannungsregler 2 arbeitet in dem unteren Spannungsbereich (Uin < Uz) am effektivsten, da in diesem Bereich die auftretende Verlustleistung des MOS-FET am geringsten ist. Überschreitet die Eingangsspannung Uin die Zenerspannung Uz, fällt die Differenzspannung Uds über den MOS-FET ab und die Verlustleistung nimmt entsprechend zu.The voltage regulator 2 works most effectively in the lower voltage range (Uin < Uz), since the power loss of the MOS-FET is lowest in this range. If the input voltage Uin exceeds the Zener voltage Uz, the differential voltage Uds across the MOS-FET drops and the power loss increases accordingly.
Der nachgeschaltete Pulsweitenmodulator 4 zerhackt die anliegende Zwischenspannung U1 und gibt sie über den Übertrager 6 mit anschließender Glättung und Gleichrichtung als Ausgangsspannung Uout an den Ausgang der Schaltungsanordnung. Die Regelung der Ausgangsspannung Uout erfolgt über ein der Eingangsspannung Uin proportionales Tastverhältnis. Hierdurch wird bei variabler Eingangsspannung Uin, eine konstante Ausgangsspannung Uout generiert. Der Vorteil des Spannungsregler 2 ist der gute Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich, da die Regeldifferenz nicht als Verlustleistung umgesetzt wird.The downstream pulse width modulator 4 chops the applied intermediate voltage U1 and passes it via the transformer 6 with subsequent smoothing and rectification as output voltage Uout to the output of the circuit arrangement. The output voltage Uout is regulated via a duty cycle proportional to the input voltage Uin. This generates a constant output voltage Uout for a variable input voltage Uin. The advantage of the voltage regulator 2 is the good efficiency over the entire input voltage range, since the control difference is not converted into power loss.
Dies wird dadurch erreicht, daß bei Eingangsspannungen Uin im unteren Spannungsbereich (Uin < Uz) der MOS-FET 7 gänzlich leitend ist und somitThis is achieved by the fact that at input voltages Uin in the lower voltage range (Uin < Uz) the MOS-FET 7 is completely conductive and thus
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nur eine kleine Differenzspannung Uds über dessen Drain-Source-Strecke abfällt, wodurch nur eine geringe Verlustleistung im MOS-FET 7 erzeugt wird. Bei Eingangsspannungen Uin im oberen Spannungsbereich (Uin > Uz) geht der MOS-FET 7 zunehmend in den sperrenden Zustand über, so daß der Spannungsregler 2 nur einen kleinen Ausgangsstrom 11 liefert und die entstehende Verlustleistung hierdurch vernachlässigbar ist. Neben der vorteilhaften Verteilung der geringen Verlustleistung, wird ferner erreicht, daß durch die Erhöhung der Spannungsfestigkeit des MOS-FET 7 der Pulsweitenmodulator 4 vor unzulässig hohen Betriebsspannungen geschützt wird.only a small differential voltage Uds drops across its drain-source path, whereby only a small power loss is generated in the MOS-FET 7. At input voltages Uin in the upper voltage range (Uin > Uz), the MOS-FET 7 increasingly goes into the blocking state, so that the voltage regulator 2 only supplies a small output current 11 and the resulting power loss is therefore negligible. In addition to the advantageous distribution of the low power loss, the increase in the dielectric strength of the MOS-FET 7 also protects the pulse width modulator 4 from impermissibly high operating voltages.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen.The present invention is not limited to the embodiments described above, but also includes all embodiments having the same effect within the meaning of the invention.
Claims (4)
wobei der Spannungsregler (2) einen elektronischen Schalter (7) umfaßt, dem eine von der Eingangsspannung abgeleitete konstante Spannung für seinen Steuereingang zugeführt wird
und der Schalter (7) zur Spannungsversorgung des nachgeschalteten Pulsweitenmodulators (4) derart mit diesem verbunden ist, daß dem Pulsweitenmodulator (4) in einem unteren Spannungsbereich im wesentlichen eine, der gesamten Eingangsspannung (Uin) entsprechende, Zwischenspannung (U1) zugeführt wird, und in einem oberen Spannungsbereich im wesentlichen eine, auf die konstante Eingangsspannung des Steuereingangs begrenzte Zwischenspannung (U1) zugeführt wird, und der Pulsweitenmodulator (4) den Übertrager (6) zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsspannung (Uout) ansteuert. 1. Circuit arrangement for power supply, which is suitable for a wide input voltage range, with a voltage regulator ( 2 ), a pulse width modulator ( 4 ) and a transformer ( 6 ),
wherein the voltage regulator ( 2 ) comprises an electronic switch ( 7 ) to which a constant voltage derived from the input voltage is supplied for its control input
and the switch ( 7 ) for supplying voltage to the downstream pulse width modulator ( 4 ) is connected to the latter in such a way that the pulse width modulator ( 4 ) is supplied with an intermediate voltage (U1) essentially corresponding to the entire input voltage (Uin) in a lower voltage range, and an intermediate voltage (U1) limited to the constant input voltage of the control input is supplied in an upper voltage range, and the pulse width modulator ( 4 ) controls the transformer ( 6 ) to generate a constant output voltage (Uout).
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